張海太，張良翰，陳 賀

(1.云南建設基礎設施投資股份有限公司, 云南 昆明 650501; 2.云南省交通規(guī)劃設計研究院有限公司, 云南 昆明 650041；3.陸地交通氣象災害防治技術國家工程實驗室, 云南 昆明 650041)

土工合成材料加筋墊層是由分層鋪設的土工合成材料與地基土或砂土共同構成的換填墊層。土工合成材料加筋墊層通常用于提高地基土的抗拉和抗剪強度，減小地基沉降，增強散體材料墊層的剛度，已廣泛應用于公路、鐵路、水利等工程建設中[1]。

近年來，隨著國家工程建設的迅速推進，國內外學者就土工合成材料加筋墊層加固軟土地基的特性開展了研究，王亞濤等[2]分析了碎石墊層厚度、土工格柵、格柵層數(shù)等參數(shù)變化對豎向應力場、豎向位移場的影響。邵國霞等[3]通過現(xiàn)場試驗探討了不同剛度材料墊層條件下管樁復合地基的受力和變形規(guī)律，并指出鋼筋混凝土板墊層對路基沉降的控制效果最好。賀煒等[4-5]、馬龍[6]通過實測塌陷過程中單層、三層及四層土工格柵加筋墊層應力-應變及變形量，分析了多層加筋設計中的關鍵問題及相關計算理論。劉開富等[7]、何杰等[8]分析了加筋層數(shù)、墊層模量、樁間距、樁長等因素對加筋墊層復合地基承載性狀的影響。師哥[9]應用有限元程序研究了設置土工格柵加筋墊層與未設置加筋墊層2種工況下地基位移場、應力場的變化規(guī)律。李磊[10]通過現(xiàn)場監(jiān)測分析了高路堤擴中土工合成材料加筋作用機理與效果。王超等[11]采用有限元軟件對加筋墊層與豎向加固樁復合增強軟土路堤進行了數(shù)值分析。王勇等[12]分析了路堤荷載下有無土工格柵褥墊層加筋處理兩種工況下復合地基的樁身應力及沉降特征。趙磊等[13]探討了土工合成材料加筋墊層的兜提效應。上官士青等[14]、董博文等[15]研究了土工合成材料與巖土體的相互作用機理。

綜上所述，關于土工合成材料加筋墊層加固軟土地基的特性，國內外研究多集中于土工格柵層數(shù)、加筋、不加筋、不同加筋材料等參數(shù)變化對地基土的影響規(guī)律研究，然而，工程實踐中，土工合成材料往往與其他的軟基加固方案聯(lián)合使用，因此，本文借助有限元數(shù)值分析軟件，重點分析土工合成材料加筋墊層對公路軟土路基加固的影響規(guī)律。

1 有限元數(shù)值模型的建立

PLAXIS程序是一款功能強大的通用巖土工程有限元計算軟件，被廣泛應用于邊坡穩(wěn)定、滑坡處置、軟土路基固結排水沉降、大型基坑的開挖等專業(yè)計算分析中。采用該軟件開展加筋墊層對軟土路基加固效果的分析，一方面可以克服試驗研究遇到的各種條件限制[7]，另一方面可以進行深入探討分析。

1.1 土工格柵的模擬

正確、合理地模擬土工格柵材料的力學特性對本文的研究至關重要。土工格柵的彈性軸向剛度由式(1)計算得到。

(1)

式中：EA為彈性軸向剛度；Δl為伸長量；l為長度。

土工格柵采用軟件中的線單元進行模擬，15和6節(jié)點的單元分別采用5和3節(jié)點定義；軸向力通過牛頓-科特斯公式估算，當超出某一特定數(shù)值，土工格柵發(fā)生塑性變形。

1.2 邊坡安全系數(shù)的表示方法

邊坡安全系數(shù)Fs一般定義為巖土體能夠承受的最大剪應力(τmax)與維持平衡所需的最小剪應力(τneeded)之比，即：

(2)

當采用Mohr-Coulomb模型時，安全系數(shù)可如下定義：

(3)

式中：c、φ分別為土的黏聚力和內摩擦角；cr、φr分別為土體維持整體穩(wěn)定平衡的最小黏聚力和內摩擦角。

1.3 數(shù)值計算模型

計算模型的建立參照了云南某一級公路現(xiàn)場試驗結果。如圖1所示，自上而下，模型地基土分別由黏土、有機質黏土、黏土和粉質黏土構成，基巖為泥巖，路堤填土和地基土均采用摩爾-庫侖模型計算分析，其參數(shù)可通過室內試驗獲取或根據(jù)經(jīng)驗得到，該類地層巖性為山區(qū)軟土地基的典型代表[16]；樁采用板單元來模擬，其抗彎剛度EI和軸向剛度EA通過多次試算得到；土工格柵由線單元構成，通過抗拉試驗確定其彈性軸向剛度；通過給定界面合適的界面強度折減因子(Rinter)模擬土工格柵與土體之間的相互作用，當土與土工格柵之間沒有相對位移時，界面強度折減因子為1，而當兩者有相對位移時，界面強度折減因子小于1，界面強度因子按照式(4)和式(5)計算。

Ci=RinterCsoil (4)

圖1計算模型斷面(單位：m)

路堤填高9.4 m，頂面寬32 m。加筋墊層自上至下分別由2層通長土工格柵及其之間的30 cm厚礫砂組成，具體見圖1。為了避免邊界條件對數(shù)值模擬結果的不利影響，取地基邊界水平距離為120 m，豎向深度為原地面以下20 m。除了路堤頂面和邊坡自由之外，其他位置的位移均存在約束，包括：模型左右側水平向，模型底部水平向、豎直向。假定土體材料采用非關聯(lián)的流動法則，即設置剪脹角為0；參考云南某一級公路勘察資料和室內土工試驗結果，各類巖土材料的計算參數(shù)見表1，樁的參數(shù)見表2，土工格柵抗拉剛度為2 000 kN/m，設計抗拉強度為50 kN/m。

采用不同疏密的網(wǎng)格，加密應力集中的點或線，將全局疏密度設置為中等，在土工格柵及路堤邊坡處選擇加密線，網(wǎng)格劃分見圖2。

模型左右和底部邊界均不透水，通過重力計算初始應力。分3層填筑，最后一層填筑后，長時間固結，直至地基中最大超孔壓小于1 kPa。當施工樁時，需要對由于原地基自重產生的位移歸零。

圖2加筋墊層聯(lián)合復合地基網(wǎng)格劃分圖

表1 土層材料的物理力學參數(shù)

表2 樁的物理力學參數(shù)

2 數(shù)值計算模型驗證

為了驗證有限元數(shù)值模型計算結果的合理性，對比分析了樁頂、樁間土應力和超孔隙水壓力的計算結果和現(xiàn)場實測結果，具體見圖3所示?？梢钥闯觯嬎愕玫降臉俄?、樁間土應力和超孔隙水壓力和現(xiàn)場監(jiān)測結果的基本相同，表明了有限元數(shù)值模型的合理性。

3 數(shù)值計算結果分析

保持原有模型參數(shù)不變，通過模擬不處理、僅加筋處理、復合地基、加筋墊層聯(lián)合復合地基4種不同加固方案作用下地基的受力和變形規(guī)律，對比分析其潛在滑移面、穩(wěn)定安全系數(shù)、水平位移、沉降和樁土應力比的工作性狀，研究加筋墊層對不同加固方案的影響效果。

3.1 潛在滑移面

圖4分別為不處理、僅加筋墊層處理、復合地基、加筋墊層聯(lián)合復合地基的位移增量云圖。由潛在滑移面形狀和分布圖可知，不進行地基處理時，位移增量集中在淺層黏土及有機質土，可能發(fā)生的破壞模式為淺層圓弧滑動破壞；設置加筋墊層后，潛在滑移面往地基深處發(fā)展，地基穩(wěn)定性得到提高；只采用樁進行地基加固時，位移增量集中在路堤填筑高度較大的一側，可能出現(xiàn)堤身滑動失穩(wěn)破壞；加筋墊層與復合地基聯(lián)合處置時，墊層以上的路堤兩側均出現(xiàn)位移增量集中，可能出現(xiàn)的破壞模式也是堤身滑動破壞，且兩側邊坡都可能失穩(wěn)，這也說明加筋后整體性更好。在高填方路堤設計時，為了防止堤身穩(wěn)定破壞，可在路堤中適當位置鋪設土工格柵等加筋材料來提高路堤的穩(wěn)定性。

3.2 穩(wěn)定安全系數(shù)

路堤填筑施工過程中，其穩(wěn)定安全系數(shù)見表3。由表3可以看出，雖然加固方案不同，但穩(wěn)定安全系數(shù)均隨著荷載的增加而減小。穩(wěn)定安全系數(shù)在填筑初期減小較快，填筑完成后有所增大。加筋墊層聯(lián)合復合地基處置軟土路基時，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)大于僅使用復合地基處理時的安全系數(shù)。由于加筋砂墊層的應力擴散作用及土工格柵與墊層材料間的摩擦力，使土工合成材料加筋墊層對提高路堤穩(wěn)定性有重要作用[8,15]。

圖3 數(shù)值模型計算值與現(xiàn)場試驗實測值對比

圖4位移增量云圖

表3 穩(wěn)定安全系數(shù)隨荷載施加的變化

3.3 水平位移

圖5為不同加固方案下路基水平位移與深度之間的關系曲線。由圖5可知，天然地基的深層位移最大，加筋墊層處置的深層位移略微減小；較復合地基，加筋墊層聯(lián)合復合地基處置的深層水平位移較小，尤其是在淺層，表明土工格柵墊層對地基水平位移起到了很好的限制作用。通過以上分析可知，墊層加筋后隨著填土荷載的增加，筋材變形增大，筋材拉力逐漸發(fā)揮，拉力通過筋-土界面作用對地基土的變形產生約束作用，減小了水平位移。

圖5不同加固方案下深層水平位移與深度關系曲線

3.4 沉降

路基表面的沉降曲線如圖6所示。由圖6可以看出，施加樁基時的沉降值遠小于無樁的地基沉降值，說明復合地基能夠顯著控制路基表面的沉降。施加加筋墊層的復合地基和僅加筋墊層處置的地基沉降分別小于復合地基和天然地基的沉降，說明加筋墊層能夠均勻上部荷載，提高軟土地基剛度，減少軟土地基的變形。這是因為加筋砂墊層的應力擴散作用能夠均勻上部的填土荷載，從而減小路堤的差異沉降，即路堤中部的最大沉降量減小。筋土界面摩擦作用阻止水平變形，減小水平位移。

圖6不同加固方案下路基表面沉降

3.5 樁土應力比

填筑過程中的樁土應力比見圖7所示。由圖7看出，在路堤底部設置加筋墊層可以提高樁土應力比，不加筋時，路堤填筑完成時的樁土應力比為4.39，加筋后，樁土應力比提高到4.92。土工格柵加筋墊層能增大應力擴散角，使樁土沉降差異減小，充分發(fā)揮樁的支撐作用，提高樁土應力比。從土工格柵軸力分布圖8可知，樁頂處的筋材拉力明顯大于樁間土處的筋材拉力，說明加筋墊層將上覆路堤荷載更多地傳遞到樁頂，樁土應力比增大。

圖7 樁土應力比

圖8土工格柵軸向拉力分布

4 結 語

(1) 對比不處理和單獨加筋墊層兩種工況，加筋墊層使?jié)撛诨泼嫱钐幇l(fā)展，位移增量集中區(qū)域幾乎橫跨全部的筋材寬度，土工格柵發(fā)生彎曲變形，筋材拉力得以發(fā)揮，限制地基土的側向變形，致使路基的穩(wěn)定安全系數(shù)提高。

(2) 對比復合地基和加筋墊層聯(lián)合復合地基兩種工況，加筋墊層的應力擴散作用及筋材與土之間的摩擦作用，使路堤的整體穩(wěn)定性提高。

(3) 加筋砂墊層的應力擴散作用能夠均勻上部的填土荷載，從而減小路堤的差異沉降，即路堤中部的最大沉降量減小。

(4) 土工格柵加筋墊層能增大應力擴散角，使樁土差異沉降減小，充分發(fā)揮樁的強度和剛度，提高樁土應力比。